一、学科简介：

      上海交通大学物理与天文学院天文系现有博士生导师14名，其中中科院院士1名、教育部“长江学者”特聘教授1名、国家杰出青年基金获得者5名、国家级青年科技人才计划获得者9名。天文系设有宇宙学、星系群和星系团、星系形成与演化、星系动力学、银河系结构等研究方向。主持CLAUDS星系巡天、参加了PFS、DESI等第四代暗能量巡天、SKA、阿里原初引力波探测等项目，并深度参与中国空间站巡天空间望远镜项目。上海交通大学天文学科在2016年教育部排名第四，并于2017年正式成立天文系，之后学科排名稳步上升，在2020年软科排名第三，2021年度泰晤士高等教育中国学科评级A+学科。天文系Gravity超级计算机于2020年上线，拥有3000核、20TB内存、7PB存储，是目前国内高校天文系最大的专用服务器。天文系也与李政道研究所天文部、物理与天文学院粒子物理与核物理研究所等存在密切合作。详情请见http://astro.sjtu.edu.cn.

        近期，上海交通大学物理与天文学院的John Vickers博士与沈俊太教授和李兆聿副教授合作，发现银河系薄盘恒星的金属丰度径向梯度随恒星年龄的增长趋于平缓，这与恒星径向迁移过程的预言一致。论文发表在国际天文权威期刊《天体物理期刊》（The Astrophysical Journal)上，题为《对银河系薄盘金属丰度径向梯度趋缓的研究》（The Flattening Metallicity Gradient in the Milky Way's Thin Disk）。

金属丰度径向梯度与银盘的演化历史

        天文学上把比氢和氦还重的元素都称为“金属”。恒星诞生于星际气体，继承了其中的金属元素，而它在接下来的一生中通过核聚变过程合成出更多的金属元素，并在其死亡时抛洒进星际介质，又进一步增加了气体的金属丰度，从而孕育出金属丰度更高的下一代恒星。根据传统的银河系形成理论，银盘在早期经历了快速的气体塌缩形成恒星的过程，在银河系内区大量恒星的快速形成使得内区气体的金属丰度迅速增加，而外围恒星形成少，故金属丰度增加缓慢，于是早期形成的年老恒星便呈现出由内到外下降的比较陡的金属丰度径向梯度。随着银河系不断成长，银河系恒星形成及气体化学元素增丰过程逐渐向外扩展到整个银盘，使得外围气体的金属丰度不断上升，因此经典理论预言晚期形成的年轻恒星相较于年老恒星具有更平缓的金属丰度径向梯度。

        然而这一理论忽略了一个重要的动力学效应，即恒星的径向迁移过程（radial migration）。恒星在银盘上诞生以后，会与暂现的旋臂密度波相互作用而发生迁移，改变其平均的轨道半径。这自然会影响所测量的金属丰度径向梯度。因此，测量银盘中不同年龄星族的金属丰度径向梯度，是研究恒星径向迁移的重要基础，有助于理解其在银河系动力学演化中所起的关键作用。然而，目前观测上较难测量这一梯度，不仅是因为缺乏大样本的统计分析，更重要的一个难点则是对恒星年龄的准确估计。

图1：不同年龄的恒星星族在赫罗图（有效温度--表面重力加速度）上的理论分布曲线，即等时线（isochrone），准确的恒星年龄测量取决于能否精准确定恒星在赫罗图上的位置

恒星年龄的精确测量

        他们研究了同时具有LAMOST与Gaia卫星观测数据的400万颗恒星样本。Gaia为他们提供了准确的恒星距离信息，改正了尘埃的消光效应后即可得到恒星的绝对星等。结合从LAMOST光谱得到的恒星有效温度、表面重力加速度以及金属丰度等信息，他们就利用恒星演化模型拟合等时线（isochrone fitting）的方法，来准确测量恒星的年龄（图1）

     图2：恒星样本在化学丰度空间（[α/Fe]—[Fe/H]）的分布（左图：恒星的数密度；右图：恒星年龄颜色标记）；其中α代表α族元素，如氧（¹⁶O），氖（²⁰Ne）、镁（²⁴Mg）、硅（²⁸Si）等

从母样本中选择了130万颗年龄测量精度较高的恒星来研究银盘的金属丰度径向梯度。

     理解恒星如何在宇宙中形成是天体物理研究的主要目标之一。为了回答这个问题，通常天文学家需要借助望远镜对星系进行测光和光谱观测，并将获得的光信号通过精密的计算分析来获得星系或整个宇宙中恒星形成率的估计。正因为这个参数是如此重要，以至于现今的星系形成理论及数值模拟都以能否再现恒星形成的“实际观测结果”来调整参数。

     最近，上海交大李政道研究所博士后研究员Antonios Katsianis与天文系合作的一项研究工作中，通过对数百万个星系的观测结果进行汇总，发现一个简单的数学公式就可以优雅且物理驱动地描述宇宙整体的恒星形成历史。而在从事该课题的研究过程中，该项目的主要作者还揭示了当代河外天体物理学一个潜伏的危机——恒星形成率研究领域使用的研究方法存在严重问题。为了获得星系的特性如恒星形成率或恒星质量，不同的研究人员一直依赖于不同的理论模型和假设。有两个尤其令人惊讶的地方：1）正如团队在另一项工作中指出的：由于采用了不同的模型假设，在长达十年的时间里，学界一直存在着多种互相矛盾的结果；2）尽管每项工作在其自己的研究框架中不大可能犯低级错误，但我们至今无法确认到底哪种研究结果才是准确的（尤其是对遥远的星系），因为我们不知道真实的结果。为了彻底理解这些矛盾的起源，研究团队决定将星系恒星形成率的研究按不同指标/数据集分成不同的类别：a）带有尘埃修正的UV数据集；b）红外数据集。很明显，这两个类别的数据在恒星形成率测量上表现出了严重的系统差异。围绕着上述两个类别的测量结果，该工作获得的第一个主要发现是：尽管存在系统差异，这两个类别的宇宙恒星形成率密度都可以用仅由2个参数的Gamma(a,b)分布函数——一个被广泛应用于众多领域的数学形式（例如：生物学里传染病随时间传播的分布，工程学里建筑随时间退化的关系等）——来描述。

图1 宇宙中恒星形成率的演变符合伽马分布

      该工作同时还指出，不仅恒星形成率的观测结果存在严重的差异，数值模拟研究中也同样存在严重的问题——包括计算分辨率限制造成的以及模型本身的问题。因此团队决定简化资料及运算过程，而仅使用纸和笔来构建理论模型。该模型通过考虑标准宇宙学的一些基本参量，结合数值模拟结构形成的特征，仅用2个自由参数来同时正确描述恒星形成历史的形状和幅度！这一结果建立了宇宙恒星形成率密度模型研究历史上的一个新标杆——过去几十年里，最著名的恒星形成率密度模型是采用4参数拟合的经验公式，不存在明确的物理驱动。团队的这一成果近期发表于天体物理顶级期刊The Astrophysical Journal。

图2 基于简单假设（如宇宙临界物质密度等）推导的宇宙恒星形成率密度模型

     对于该成果，合作者之一上海交通大学的杨小虎教授这样评价：“该工作最大的创新之处是它的物理驱动。以前的SFRD模型是以红移为变量的函数，更多地和宇宙的尺度挂钩，是一个纯经验的拟合公式；而新模型中以宇宙的年龄为变量，与恒星形成相关的气体吸积和消耗时标挂钩，具有很强的物理驱动。” 另一合作者紫金山天文台的郑宪忠研究员这样评价：“该工作让我们对基于不同观测指标获得的恒星形成率密度测量有了更为全面的理解。同时，考虑到星系中的恒星形成包含了众多复杂的物理过程，宇宙中的整体恒星形成率居然可以用仅有2个自由参数的伽玛函数来描述——确实让人惊叹！”

     围绕这一主题，研究团队将继续探索它的物理起源及在天体物理研究领域中的应用。

     最后，Antonios Katsianis博士总结：“恒星形成是宇宙中最重要的物理过程之一，因此有很多现象还需要我们开展进一步研究和提炼，从而获得更多新发现、获得对我们宇宙更深层次的理解。”

     论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac11f2           

        近日，爱丁堡大学天文研究所博士后、上海交通大学物理与天文学院访问学者崔伟广博士及其合作者，包括交大杨小虎教授等，使用最前沿的SIMBA流体数值模拟首次精准再现了观测中的星系颜色红蓝双峰分布结构，并对这种分布的起源给出了物理解释。论文于2021年7月5日发表于国际学术期刊《自然天文》杂志上，题为《在恒星-暗晕质量关系弥散中的星系颜色双峰分布起源》（The origin of galaxy colour bimodality in the scatter of the stellar-to-halo mass relation）。

        天文学家在过去近100年里就已知星系可以分为两类：一种是恒星形成活跃的蓝色漩涡星系；另外一种是缺少恒星形成的红色椭圆星系。从哈伯第一次观测到这种分布，它就成为了困扰天文学家一个主要谜团。直到今天，星系为什么呈现这种双峰分布仍是星系形成研究的一个主题。

        红星系主要由年老的恒星构成（故呈现红色），被认为形成于暗物质密集的区域——大质量的暗物质晕中；蓝星系，因为平均恒星年龄非常年轻而呈现蓝色，通常处于小质量的暗物质晕中。然而最近的观测表明，在相同质量的暗物质晕中，这两种星系是同时存在的，但是蓝星系比红星系的质量要大一些。这个发现会不会给我们理解星系的颜色双峰结构提供一个更为基本的物理解释？最近，崔伟广博士和其合作者使用最为前沿的SIMBA流体数值模拟第一次再现了观测中的这种颜色双峰分布（图1)。该成果及其物理解释发表在了最近一期的自然天文杂志上。

图1, SIMBA模拟星系和观测星系的比较

        通过对每一个星系形成的历史追踪，流体数值模拟可以给出星系在其形成过程每个时间段的演化历程，而这在观测上是不可能实现的，崔博士和他的合作者展示了这种双峰结构形成的本质原因是星系所在暗物质晕的形成历史不同——也称为暗物质晕质量增长偏差（图2）：在相同的质量上，早形成的暗物质晕通常形成蓝星系，而晚形成的暗物质晕通常拥有红星系。另外这个研究小组也发现，星系中心的黑洞反馈释放的能量对于决定星系的颜色也有着至关重要的作用。

图2, SIMBA模拟星系的分布，分别使用暗物质晕的形成时间（a)；星系形态转化时间的（b)来刻画。

        文章的合作者之一、SIMBA项目的负责人，罗密欧戴夫教授说：“我们的模拟第一次展示了观测上的颜色双峰结构可以跟超大质量黑洞的能量释放关联起来。SIMBA模拟联结了大尺度上的结构形成和极小尺度上的黑洞物理过程，对于我们理解星系形成，尤其是星系颜色双峰结构形成的物理过程，迈出了至关重要的一步。

        文章的另一合作者皮考克教授说：“这个研究中尤其令人激动的是我们通过对星系中心大质量黑洞能量释放的控制，将星系的颜色再现出来。” 戴夫教授补充说道：“越来越趋近真实的模拟让我们自信可以对数以百万或者更多星系的不同性质和形态，和它们从宇宙之初到现在的形成过程，给出本质上的解释。”

文章链接： https://www.nature.com/articles/s41550-021-01404-1